JP2015056986A - Dc−dcコンバータ、および、半導体集積回路 - Google Patents

Dc−dcコンバータ、および、半導体集積回路 Download PDF

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Abstract

【課題】過電流の誤検出を抑制することが可能なDC−DCコンバータを提供する。【解決手段】DC−DCコンバータは、過電流検出結果信号をマスクするマスク期間を規定する過電流検出マスク信号を出力するマスク制御回路を備える。DC−DCコンバータは、電源電圧に応じて前記マスク期間の長さを調整するマスク調整回路を備える。DC−DCコンバータは、過電流検出結果信号と過電流検出マスク信号とを演算し、過電流検出結果信号がマスク期間でマスクされた過電流制御信号を出力する演算回路を備える。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、DC−DCコンバータに関する。
従来のDC−DCコンバータには、周辺回路の動作ノイズや動作切替時に生じるスイッチ素子に流れる電流の誤検出を要因とする過電流の誤判定を防ぐために、過電流検出を一時的に無効とする検出マスクを設けているものがある。
特開2006−115596 特開2004−364448 特開2008−099440 特開2007−110803
過電流の誤検出を抑制することが可能なDC−DCコンバータを提供する。
本発明の一態様に係るDC−DCコンバータは、電源電圧を降圧又は昇圧した出力電圧を、出力端子に出力するDC−DCコンバータである。DC−DCコンバータは、前記出力端子への電流の供給を制御するスイッチ素子を備える。DC−DCコンバータは、前記スイッチ素子に流れる電流に応じた検出電圧と、基準電圧とを比較し、この比較結果に応じた過電流検出結果信号を出力する過電流検出回路を備える。DC−DCコンバータは、前記過電流検出結果信号をマスクするマスク期間を規定する過電流検出マスク信号を出力するマスク制御回路を備える。DC−DCコンバータは、前記電源電圧に応じて前記マスク期間の長さを調整するマスク調整回路を備える。DC−DCコンバータは、前記過電流検出結果信号と前記過電流検出マスク信号とを演算し、前記過電流検出結果信号が前記マスク期間でマスクされた過電流制御信号を出力する演算回路を備える。DC−DCコンバータは、前記出力電圧に基づいたフィードバック信号が予め設定された目標値に近づくように、前記スイッチ素子をPWM制御するとともに、前記過電流制御信号に基づいて、前記スイッチ素子を強制的にオフする出力制御回路を備える。
図1は、実施例1に係るDC−DCコンバータ1000の構成の一例を示す回路図である。 図2は、DC−DCコンバータ1000の動作時の各信号の一例を示す波形図である。 図3は、実施例2に係るDC−DCコンバータ2000の構成の一例を示す回路図である。 図4は、実施例3に係るDC−DCコンバータ3000の構成の一例を示す回路図である。
以下、実施例について図面に基づいて説明する。実施例では、電源電圧を降圧又は昇圧した出力電圧を、出力端子に出力するDC−DCコンバータについて説明する。
まず、本実施例1では、降圧型のDC−DCコンバータの構成の一例について説明する。
図1は、実施例1に係るDC−DCコンバータ1000の構成の一例を示す回路図である。
図1に示すように、DC−DCコンバータ1000は、例えば、出力端子TOUTと、分圧回路RCと、コイルLと、キャパシタCと、ダイオードDと、半導体集積回路100とを備える。そして、この半導体集積回路100は、入力端子TINと、制御端子TXと、フィードバック端子TFBと、スイッチ素子(ここでは、例えば、nチャネル型MOSトランジスタ)SWと、過電流検出回路(ここでは、例えば、コンパレータ)Xと、マスク制御回路MCと、マスク調整回路MAと、演算回路Yと、出力制御回路OCと、基準電圧生成回路VGと、第1の変換回路VICと、第2の変換回路IVCと、を備える。
このDC−DCコンバータ1000は、電源電圧VINを降圧した出力電圧VOUTを、出力端子TOUTに出力する。
ここで、図1に示すように、コイルLは、出力端子TOUTと制御端子TXとの間に接続されている。
キャパシタCは、出力端子TOUTと接地との間に接続されている。
ダイオードDは、カソードが制御端子TXに接続され、アノードが接地に接続されている。
分圧回路RCは、出力端子TOUTと接地との間に接続され、出力電圧VOUTを分圧した電圧をフィードバック信号FBとして出力する。
この分圧回路RCは、例えば、図1に示すように、出力端子TOUTと接地との間で、直列に接続された分圧抵抗R1、R2を含む。
入力端子TINは、スイッチ素子SWの電流経路の一端が接続され、電源電圧VINが供給される。
制御端子TXは、スイッチ素子SWの電流経路の他端が接続されている。
フィードバック端子TFBは、フィードバック信号FBが供給されている。
スイッチ素子SWは、一端(ドレイン)が入力端子TINに接続され、他端(ソース)が制御端子Txに接続されている。このスイッチ素子SWの制御端子(ゲート)には、出力制御回路OCからゲート信号VGが供給され、スイッチング素子SWはPWM制御される。これにより、スイッチ素子SWは、出力端子TOUTへの電流の供給を制御する。
第1の変換回路VICは、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)と他端(ソース)との間の電位差VDSを検出し、この電位差VDSを検出電流に変換して出力する。
ここで、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)と他端(ソース)との間の電位差VDSは、スイッチ素子SWに流れる電流が増加すると、増加し、一方、スイッチ素子SWに流れる電流が減少すると、減少する。すなわち、電位差VDSは、スイッチ素子SWに流れる電流と相関関係がある。したがって、この電位差VDSを検出することにより、スイッチ素子SWに流れる過電流を検出することができる。
第2の変換回路IVCは、上述の第1の変換器VICが出力した検出電流を、検出電圧Vaに変換して出力する。
基準電圧生成回路VGは、予め設定された基準電圧Vrefを生成する。
過電流検出回路Xは、検出電圧Vaと、予め設定された基準電圧Vrefとを比較し、この比較結果に応じた過電流検出結果信号CSを出力する。
例えば、過電流検出回路Xは、検出電圧Vaが基準電圧Vref未満である場合には、検出電圧Vaが基準電圧Vref未満である(スイッチ素子SWに過電流が流れていない)ことを規定する過電流検出結果信号CSを出力する。
言い換えれば、過電流検出回路Xは、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)と他端(ソース)との間の電位差VDSが、予め設定された過電流判定閾値th2未満である場合には、スイッチ素子SWに過電流が流れていないことを規定する過電流検出結果信号CSを出力する。
一方、過電流検出回路Xは、検出電圧Vaが基準電圧Vref以上である場合には、検出電圧Vaが基準電圧Vref以上である(スイッチ素子SWに過電流が流れている)ことを規定する過電流検出結果信号CSを出力する。
言い換えれば、過電流検出回路Xは、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)と他端(ソース)との間の電圧VDSが、予め設定された過電流判定閾値th2以上である場合には、スイッチ素子SWに過電流が流れていることを規定する過電流検出結果信号CSを出力する。
また、マスク制御回路MCは、過電流検出結果信号CSが規定する比較結果をマスクするマスク期間を規定する過電流検出マスク信号MSを出力する。
ここで、マスク調整回路MAは、例えば、電源電圧VINが予め設定された切替閾値th1以上である場合には、マスク期間を第1のマスク期間に調整する。
一方、マスク調整回路MAは、電源電圧VINが切替閾値th1未満である場合には、マスク期間を第1のマスク期間よりも長い第2のマスク期間に調整する。
そして、演算回路Yは、過電流検出結果信号CSと過電流検出マスク信号MSとを演算し、過電流検出結果信号CSが規定する比較結果がマスク期間でマスク(無効化)された過電流制御信号SDを出力する。
この演算回路Yは、例えば、過電流検出結果信号CSと過電流検出マスク信号MSとが入力され、過電流制御信号SDを出力するNOR回路である。
また、出力制御回路OCは、出力電圧VOUTに基づいたフィードバック信号FBが予め設定された目標値に近づくように、スイッチ素子SWをPWM制御する。これにより、DC−DCコンバータ100の出力電圧VOUTが、該目標値に維持される。
さらに、出力制御回路OCは、過電流制御信号SDに基づいて、スイッチ素子SWを強制的にオフする。これにより、過電流がカットオフされる。
特に、出力制御回路OCは、既述のマスク期間を除く期間において、過電流制御信号SDが、検出電圧Vaが基準電圧Vref以上である比較結果を規定する場合には、スイッチ素子SWを強制的にオフする。
なお、マスク期間は、例えば、スイッチ素子SWがオンに制御されたときに開始する。
また、マスク期間は、例えば、スイッチ素子SWが連続してオンしている期間よりも短くなるように設定されている。
次に、以上のような構成を有するDC−DCコンバータ1000の動作の一例について説明する。ここで、図2は、DC−DCコンバータ1000の動作時の各信号の一例を示す波形図である。
図2に示すように、例えば、時刻t1〜t3において、PWM制御により、ゲート信号VGが“High”レベルになると、スイッチ素子SWがオンする。このとき、スイッチ素子SWの電位差VDSにスイッチングノイズが重畳する。なお、電源電圧VINが高い(30V)ので(時刻tx以前)、スイッチ素子SWのオンデューティが小さくなるように設定される(時刻t1〜t3が、例えば、62.5ns)。
ここで、マスク調整回路MAは、電源電圧VINが予め設定された切替閾値th1以上(30V)であるので(時刻tx以前)、マスク期間を第1のマスク期間M1(例えば、40ns)に調整している。
したがって、マスク制御回路MCは、過電流検出結果信号CSをマスクする第1のマスク期間M1(時刻t1〜t2)を規定する過電流検出マスク信号MS(“High”レベル)を出力する。
一方、時刻t1〜t2において、過電流検出回路Xは、電位差VDSが、予め設定された過電流判定閾値th2以上になると、スイッチ素子SWに過電流が流れていることを規定する過電流検出結果信号CS(“High”レベル)を出力する。
この“High”レベルの過電流検出結果信号CSは、第1のマスク期間M1中に発生している。したがって、演算回路Yは、過電流検出結果信号CSと過電流検出マスク信号MSとを演算し、過電流検出結果信号CSが第1のマスク期間M1でマスク(無効化)された過電流制御信号SD(“Low”レベル)を出力する(時刻t1〜t2)。
これにより、スイッチ素子SWがオンすることにより発生したスイッチングノイズによる、過電流の誤検出を抑制することができる。
次に、時刻t4〜t6において、PWM制御により、ゲート信号VGが“High”レベルになると、スイッチ素子SWがオンする。これにより、スイッチ素子SWの電位差VDSにスイッチングノイズが重畳する。なお、電源電圧VINが低い(7V)ので(時刻tx以降)、スイッチ素子SWのオンデューティが大きくなるように設定される(時刻t4〜t6が、例えば、290ns)。
ここで、マスク調整回路MAは、電源電圧VINが切替閾値th1未満(7V)であるので(時刻tx以降)、マスク期間を第1のマスク期間M1よりも長い第2のマスク期間M2(例えば、100ns)に調整している。
したがって、マスク制御回路MCは、過電流検出結果信号CSをマスクする第2のマスク期間M2(時刻t4〜t5)を規定する過電流検出マスク信号MS(“High”レベル)を出力する。
一方、時刻t4〜t5において、過電流検出回路Xは、電位差VDSが、予め設定された過電流判定閾値th2以上になると、スイッチ素子SWに過電流が流れていることを規定する過電流検出結果信号CS(“High”レベル)を出力する。
この“High”レベルの過電流検出結果信号CSは、第2のマスク期間M2中に発生している。したがって、演算回路Yは、過電流検出結果信号CSと過電流検出マスク信号MSとを演算し、過電流検出結果信号CSが第1のマスク期間M1でマスク(無効化)された過電流制御信号SD(“Low”レベル)を出力する(時刻t4〜t5)。
これにより、スイッチ素子SWがオンすることにより発生したスイッチングノイズによる、過電流の誤検出を抑制することができる。
以上のように、電源電圧VINに応じて、マスク期間の長さを変える制御を行うことにより、使用条件に応じて最適なマスク期間で過電流の検出を行うことができる。
特に、電源電圧VINが低い場合において、降圧比が小さくなるため、スイッチ素子SWのオン時間が長くなる。この場合、マスク期間を長く設けても、過電流の検出期間を確保できる。これにより、電源電圧VINが低い条件において、マスク期間を長くすることにより、DC−DCコンバータを高速化しつつ、過電流の誤検出を抑制することができる。
以上のように、本実施例1に係るDC−DCコンバータによれば、過電流の誤検出を抑制することができる。
既述の実施例1では、降圧型のDC−DCコンバータの構成の一例について説明した。
スイッチ素子SWに流れる電流に相関関係があるスイッチ素子SWの一端(ドレイン)と他端(ソース)との間の電位差VDSを検出した。しかし、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)の電圧も、スイッチ素子SWに流れる電流に相関関係がある。
そこで、本実施例2では、スイッチ素子SWの電流経路の一端(ドレイン)の電圧を検出電圧Vaとして用いた降圧型のDC−DCコンバータの構成の他の例について説明する。
図3は、実施例2に係るDC−DCコンバータ2000の構成の一例を示す回路図である。なお、この図3において、図1と同じ符号は、実施例1と同様の構成を示し、説明を省略する。
図3に示すように、DC−DCコンバータ2000は、例えば、出力端子TOUTと、分圧回路RCと、コイルLと、キャパシタCと、ダイオードDと、半導体集積回路200とを備える。そして、この半導体集積回路200は、入力端子TINと、制御端子TXと、フィードバック端子TFBと、スイッチ素子(ここでは、例えば、nチャネル型MOSトランジスタ)SWと、過電流検出回路(ここでは、例えば、コンパレータ)Xと、マスク制御回路MCと、マスク調整回路MAと、演算回路Yと、出力制御回路OCと、基準電圧生成回路VGと、を備える。
すなわち、DC−DCコンバータ2000(半導体集積回路200)は、実施例1と比較して、第1の変換回路VICと第2の変換回路IVCとが省略されている。
ここで、既述のように、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)の電圧も、スイッチ素子SWに流れる電流に相関関係がある。
そこで、過電流検出回路Xは、上スイッチ素子SWに流れる電流(スイッチ素子SWの一端(ドレイン)の電圧)に応じた検出電圧Vaと、予め設定された基準電圧Vrefとを比較し、この比較結果に応じた過電流検出結果信号CSを出力する。
すなわち、既述のように、本実施例2では、スイッチ素子SWの一端(ドレイン)の電圧を検出電圧Vaとして用いている。
なお、DC−DCコンバータ2000のその他の構成は、実施例1のDC−DCコンバータ1000と同様である。
また、DC−DCコンバータ2000の動作は、実施例1のDC−DCコンバータ1000と同様である。
すなわち、本実施例2に係るDC−DCコンバータによれば、実施例1と同様に、過電流の誤検出を抑制することができる。
既述の実施例1、2では、降圧型のDC−DCコンバータの構成例について説明した。本実施例3では、昇圧型のDC−DCコンバータの構成例について説明する。
図4は、実施例3に係るDC−DCコンバータ3000の構成の一例を示す回路図である。なお、この図4において、図1と同じ符号は、実施例1と同様の構成を示し、説明を省略する。
図4に示すように、DC−DCコンバータ3000は、例えば、出力端子TOUTと、分圧回路RCと、コイルLと、キャパシタCと、ダイオードDと、半導体集積回路300とを備える。そして、この半導体集積回路300は、入力端子TINと、フィードバック端子TFBと、スイッチ素子(ここでは、例えば、MOSトランジスタ)SWと、過電流検出回路(ここでは、例えば、コンパレータ)Xと、マスク制御回路MCと、マスク調整回路MAと、演算回路Yと、出力制御回路OCと、基準電圧生成回路VGと、第1の変換回路VICと、第2の変換回路IVCと、を備える。
ここで、図4に示すように、コイルLは、一端に電源電圧VINが供給される。
また、ダイオードDは、アノードがコイルLの他端に接続され、カソードが出力端子TOUTに接続されている。
キャパシタCは、出力端子TOUTと接地との間に接続されている。
入力端子TINは、コイルLの他端が接続され、接地との間にスイッチ素子SWが接続されている。
フィードバック端子TFBは、フィードバック信号FBが供給される。
分圧回路RCは、出力端子TOUTと接地との間に接続され、出力電圧VOUTを分圧した電圧をフィードバック信号FBとして出力する。
このように、DC−DCコンバータ3000は、昇圧型のDC−DCコンバータの構成を有する。
ここで、既述の実施例1と同様に、出力制御回路OCは、出力電圧VOUTに基づいたフィードバック信号FBが予め設定された目標値に近づくように、スイッチ素子SWをPWM制御する。これにより、DC−DCコンバータ3000の出力電圧VOUTが、該目標値に維持される。
これにより、DC−DCコンバータ3000は、電源電圧VINを昇圧した出力電圧VOUTを、出力端子TOUTに出力する。
さらに、出力制御回路OCは、実施例1と同様に、過電流制御信号SDに基づいて、スイッチ素子SWを強制的にオフする。これにより、過電流がカットオフされる。
特に、出力制御回路OCは、既述のマスク期間を除く期間において、過電流制御信号SDが、検出電圧VAが基準電圧Vref以上である比較結果を規定する場合には、スイッチ素子SWを強制的にオフする。
なお、DC−DCコンバータ3000のその他の構成は、実施例1のDC−DCコンバータ1000と同様である。
そして、DC−DCコンバータ3000のその他の動作・機能は、実施例1のDC−DCコンバータ1000と同様である。
なお、DC−DCコンバータ3000は、半導体集積回路300に代えて実施例2において説明した半導体集積回路200に置き換えることによっても同様の効果を得ることができる。
すなわち、本実施例3に係るDC−DCコンバータによれば、過電流の誤検出を抑制することができる。
なお、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。
1000、2000、3000 DC−DCコンバータ
100、200、300 半導体集積回路
TOUT 出力端子
RC 分圧回路
L コイル
C キャパシタ
D ダイオード
TIN 入力端子
TX 制御端子
TFB フィードバック端子
SW スイッチ素子
X 過電流検出回路(コンパレータ)
MC マスク制御回路
MA マスク調整回路
Y 演算回路
OC 出力制御回路
VG 基準電圧生成回路
VIC 第1の変換回路
IVC 第2の変換回路

Claims (10)

  1. 電源電圧を降圧又は昇圧した出力電圧を、出力端子に出力するDC−DCコンバータであって、
    前記出力端子への電流の供給を制御するスイッチ素子と、
    前記スイッチ素子に流れる電流に応じた検出電圧と、基準電圧とを比較し、この比較結果を規定する過電流検出結果信号を出力する過電流検出回路と、
    前記過電流検出結果信号をマスクするマスク期間を規定する過電流検出マスク信号を出力するマスク制御回路と、
    前記電源電圧に応じて前記マスク期間の長さを調整するマスク調整回路と、
    前記過電流検出結果信号と前記過電流検出マスク信号とを演算し、前記過電流検出結果信号が前記マスク期間でマスクされた過電流制御信号を出力する演算回路と、
    前記出力電圧に基づいたフィードバック信号が予め設定された目標値に近づくように、前記スイッチ素子をPWM制御するとともに、前記過電流制御信号に基づいて、前記スイッチ素子を強制的にオフする出力制御回路と、を備える
    ことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 前記マスク調整回路は、前記電源電圧が切替閾値以上である場合は前記マスク期間を第1のマスク期間、前記電源電圧が切替閾値未満である場合は前記マスク期間を前記第1のマスク期間よりも長い第2のマスク期間に調整する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  3. 前記出力制御回路は、
    前記マスク期間を除く期間において、前記過電流制御信号が、前記検出電圧が前記基準電圧以上である場合には、前記スイッチ素子を強制的にオフする
    ことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記マスク期間は、前記スイッチ素子がオンに制御されたときに開始することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記マスク期間は、前記スイッチ素子が連続してオンしている期間よりも短いことを特徴とする請求項4に記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記スイッチ素子の電流経路の両端の電位差を検出し、前記電位差を検出電流に変換して出力する第1の変換回路と、
    前記検出電流を前記検出電圧に変換して出力する第2の変換回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記スイッチ素子の電流経路の一端が接続され、前記電源電圧が供給される入力端子と、
    前記スイッチ素子の電流経路の他端が接続される制御端子と、
    前記フィードバック信号が供給されるフィードバック端子と、
    前記出力端子と前記制御端子との間に接続されたコイルと、
    前記出力端子と接地との間に接続されたキャパシタと、
    カソードが前記制御端子に接続され、アノードが前記接地に接続されたダイオードと、
    前記出力端子と前記接地との間に接続され、前記出力電圧を分圧した電圧を前記フィードバック信号として出力する分圧回路と、をさらに備え、
    前記電源電圧を降圧した前記出力電圧を、前記出力端子に出力することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  8. 一端に前記電源電圧が供給されるコイルと、
    アノードが前記コイルの他端に接続され、カソードが前記出力端子に接続されたダイオードと、
    前記出力端子と接地との間に接続されたキャパシタと、
    前記コイルの他端が接続され、前記接地との間に前記スイッチ素子が接続された入力端子と、
    前記フィードバック信号が供給されるフィードバック端子と、
    前記出力端子と前記接地との間に接続され、前記出力電圧を分圧した電圧を前記フィードバック信号として出力する分圧回路と、をさらに備え、
    前記電源電圧を昇圧した前記出力電圧を、前記出力端子に出力することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  9. 前記スイッチ素子は、MOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  10. 電源電圧を降圧又は昇圧した出力電圧を、出力端子に出力するDC−DCコンバータに適用される半導体集積回路であって、
    前記出力端子への電流の供給を制御するスイッチ素子と、
    前記スイッチ素子に流れる電流に応じた検出電圧と、基準電圧とを比較し、この比較結果に応じた過電流検出結果信号を出力する過電流検出回路と、
    前記過電流検出結果信号をマスクするマスク期間を規定する過電流検出マスク信号を出力するマスク制御回路と、
    前記電源電圧に応じて前記マスク期間の長さを調整するマスク調整回路と、
    前記過電流検出結果信号と前記過電流検出マスク信号とを演算し、前記過電流検出結果信号が前記マスク期間でマスクされた過電流制御信号を出力する演算回路と、
    前記出力電圧に基づいたフィードバック信号が予め設定された目標値に近づくように、前記スイッチ素子をPWM制御するとともに、前記過電流制御信号に基づいて、前記スイッチ素子を強制的にオフする出力制御回路と、を備える
    ことを特徴とする半導体集積回路。
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